JP4590986B2 - 符号化装置、復号化装置、符号化方法、復号化方法、及びこれらのプログラム - Google Patents
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Description
また、特許文献1は、動画像を構成するフレーム間の相関関係に着目して、フレーム間の差分画像データを算出し、算出された差分画像データと、入力された画像データ(フレーム画像)とを選択的に圧縮符号化する画像データ圧縮装置を開示する。
上記目的を達成するために、本発明にかかる符号化装置は、入力画像を構成するレイヤ画像である対象画像を符号化する符号化装置であって、1つのレイヤ画像に含まれる注目画素の画素値を符号化する場合に、この注目画素に対応する他のレイヤ画像に含まれる画素の画素値に基づいて、第1の予測値を算出する第1の予測手段と、この注目画素と同一のレイヤ画像に含まれる他の画素の画素値に基づいて、第2の予測値を算出する第2の予測手段と、前記第1の予測値及び前記第2の予測値に基づいて、他のレイヤ画像に含まれる画素の位置を示す参照情報又は同一のレイヤ画像に含まれる他の画素の位置を示す参照情報を選択する選択手段とを含む参照情報生成手段と、注目画素の符号データとして、前記選択手段により選択された参照情報の符号データを生成する符号生成手段とを有し、前記入力画像を構成するレイヤ画像は、注目画素の画素値及び前記選択手段によって選択された参照情報によって位置が示される画素のうち他のレイヤ画像に含まれる画素の画素値が一致する領域である透明領域と、透明領域以外の領域である非透明領域とを含み、前記符号生成手段は、前記透明領域及び前記非透明領域の境界において、注目画素及び同一のレイヤ画像に含まれる他の画素が前記透明領域及び前記非透明領域のいずれにあるかどうかに応じて、注目画素の画素値を注目画素の符号データとする。
まず、本発明の理解を助けるために、その背景及び概略を説明する。
例えば、LZ符号化方式などの予測符号化方式では、既定の参照位置の画素値を参照して予測データを生成し、生成された予測データと注目画素の画像データとが一致する場合に、一致した予測データの参照位置など(以下、参照情報)が注目画素の符号データとして符号化される。そのため、予測データの一致頻度(的中率)が高いほど、高い圧縮率が期待できる。したがって、予測符号化方式では、参照位置をどこに設定するかにより、圧縮効率が大きく変わってくる。一般的には、近傍にある画素群で相関が高いため、参照位置は、注目画素の近傍にある画素(同一画像上)に設定される。
また、JPEG−LS(非可逆モード)などでは、先行する画素で決定された画素値を用いて後続の画素の画素値を置換することにより、さらに予測データの的中率を高めて圧縮率の向上を図っている。
そこで、本実施形態における画像処理装置は、符号化対象となる入力画像(対象画像)を符号化する場合に、少なくとも他の参照画像(例えば、他のフレーム画像)を参照して予測データを生成し、生成された予測データを用いた予測符号化処理を行う。すなわち、本画像処理装置は、他の参照画像に対する参照情報を、対象画像の少なくとも一部の符号データとして符号化する。
また、本画像処理装置は、このように生成された符号データを復号化する場合に、符号データに応じて他の参照画像を参照し、参照画像に含まれる画像データを用いて復号画像を生成する。
図1は、差分画像の生成を伴う符号化方式と、本実施形態における符号化方式との相違点を説明する図であり、図1(A)は、前フレームと現フレームとの差分画像を例示し、図1(B)は、本実施形態における予測データ生成の際に参照される参照位置を例示する。
図1(A)に例示するように、前フレーム(基準画像)と現フレームとの差分画像は、それぞれのフレームに属する画素を全画素について互いに対比し算出された差分値で構成される。そのため、動いていない部分では差分値が0となるが、動いた部分では差分値が存在し多様な値となりうる。つまり、差分画像は、少なくとも動いた部分と動いていない部分とで異なる画素値を有することになる。そのため、差分画像中に、画素値の不連続が生じ、圧縮率の向上を妨げる。
一方、図1(B)に例示するように、本実施形態における画像処理装置は、図1(B)に例示するように、注目画素Xと同一画像上にある参照画素A〜Dと、他の画像(参照画像)上にある参照画素Eとを参照する。そして、本画像処理装置は、注目画素Xと一定の関係にあるいずれかの参照画素(A〜E)を選択し、選択された参照画素の画素値に基づいて予測データ(参照情報)を生成する。すなわち、本画像処理装置は、他の画像(前フレーム)の画素値を一律に適用するのではなく、圧縮率の観点から有利な場合にのみ、他の画像の画素値を適用し、高い圧縮率を実現する。
図2は、レイヤ構造で管理される画像データを例示する図であり、レイヤ構造の画像データに対して本発明を適用する形態を例示する。
図2に示すように、画像データ700は、複数のマスクレイヤ710(710a及び710b)と、1つのイメージレイヤ720とで構成される。以下、このようなレイヤ構造で画像データを管理する方式を、マルチマスク方式という。
マスクレイヤ710は、文字画像又は簡単なCG(Computer Graphics)画像など階調変化の少ない画像要素(例えば16階調以下)が割り当てられるレイヤであり、本例では2値の画像要素(オブジェクト)が割り当てられている。したがって、それぞれのマスクレイヤ710に含まれる画像要素(オブジェクト)は、単一の色で構成され、2階調で表現される。
イメージレイヤ720は、写真画像などのマスクレイヤ710よりも階調数が多い画像要素(オブジェクト)が割り当てられるレイヤであり、本例では多値(16階調以上)の画像要素(オブジェクト)が割り当てられている。例えば、イメージレイヤ720には、複雑なCG画像又は連続階調画像などが含まれる。ここで、連続階調画像とは、人間の視覚特性に鑑み十分に連続的なグラデーションが表現される画像であり、例えば、1色あたり16階調以上で表現される画像である。
表示画像750は、イメージレイヤ720の上に、予め設定された順番でマスクレイヤ710を重ねあわせて表示または印刷等されたものである。
このようなレイヤ構造の画像データに対して本発明が適用できる。例えば、本発明にかかる画像処理装置は、いずれか1つのレイヤを注目レイヤとして符号化する場合に、他のレイヤの画像データを参照して、注目レイヤの画像データを符号化する。また、本画像処理装置は、このように生成された符号データを復号化する場合に、符号データに応じて他のレイヤを参照し、表示画像750を生成する。詳細は後述する。
図3(A)に例示するように、立体形状は複数の断面画像を有し、これらの断面画像は互いに高い相関を有する場合が多い。
そのため、これらの断面画像の符号化処理において本発明を適用できる。例えば、本発明にかかる画像処理装置は、1つの断面画像を注目断面画像として符号化する場合に、他の断面画像を参照画像として参照して、注目断面画像の画像データを符号化する。また、本画像処理装置は、このように生成された符号データを復号化する場合に、符号データに応じて他の断面画像を参照し、断面画像(注目断面画像)の画像データを生成する。
次に、第1の実施形態における画像処理装置2のハードウェア構成を説明する。
図4は、本発明にかかる符号化方法及び復号化方法が適応される画像処理装置2のハードウェア構成を、制御装置20を中心に例示する図である。
図4に例示するように、画像処理装置2は、CPU212及びメモリ214などを含む制御装置21、通信装置22、HDD・CD装置などの記録装置24、並びに、LCD表示装置あるいはCRT表示装置およびキーボード・タッチパネルなどを含むユーザインターフェース装置(UI装置)25から構成される。
画像処理装置2は、例えば、本発明にかかる符号化プログラム5(後述)及び復号化プログラム6(後述)がプリンタドライバの一部としてインストールされた汎用コンピュータであり、通信装置22又は記録装置24などを介して画像データを取得し、取得された画像データを符号化又は復号化してプリンタ装置3に送信する。
図5は、制御装置21(図4)により実行され、本発明にかかる符号化方法を実現する第1の符号化プログラム5の機能構成を例示する図である。
図5に例示するように、第1の符号化プログラム5は、複数の層内予測部510(層内第1予測部510a、層内第2予測部510b、層内第3予測部510c及び層内第4予測部510d)、層間予測部520、予測誤差算出部530、ラン計数部540、選択部550及び符号生成部560を有する。なお、層内予測部510、層間予測部520、予測誤差算出部530、ラン計数部540及び選択部550の組合せが本発明にかかる参照情報生成手段の一例である。
符号化プログラム5において、画像データは、通信装置22又は記録装置24などを介して入力される。入力された画像データは、符号化プログラム5の前段でラスタライズされている。
図6(A)に例示するように、層内予測部510及び層間予測部520の参照位置は、注目画素Xとの相対位置として設定されている。具体的には、層内第1予測部510aの参照画素Aは、注目画素Xの主走査方向上流に設定され、層内第2予測部510bから層内第4予測部510dの参照画素B〜Dは、注目画素Xの上方(副走査方向上流)の主走査ライン上に設定されている。また、層間予測部520の参照画素Eは、注目画素Xが含まれる対象画像とは異なる他の画像(参照画像)上に設定されている。
また、符号生成部560は、図6(B)に例示するように、予測部(参照位置)と符号とを互いに対応付けており、注目画素Xと画素値が一致した参照位置に対応する符号を出力する。なお、それぞれの参照位置に対応付けられている符号は、例えば、各参照位置の的中率に応じて設定されたエントロピー符号であり、優先順位に対応する符号長となる。
図7(A)に例示するように、符号化プログラム5は、入力画像からCG画像を除いた画像を参照画像として、入力画像を処理すると、マスクレイヤ710aの符号データを生成できる。すなわち、符号化プログラム5は、入力画像からCG画像を除いた画像を参照することにより、CG画像が割り当てられたマスクレイヤ710aを符号化することができる。符号化されたマスクレイヤ710aのうち、ハッチングされた領域は、参照画像を参照する層間予測部520(図5)の予測が的中した領域であり、層間予測部520に対応する符号の連続として符号化される。
また、イメージレイヤ720(図2)は、層内予測により符号化されてもよいし、JPEGなどの他の符号化方式により符号化されてもよい。
図8に例示するように、透明画素と非透明画素とが互いに隣接する領域では、予測誤差の処理が問題となる。例えば、本図における注目画素Xでは、層内予測(参照画素A〜D)及び層間予測(参照画素E)のいずれも的中しないため、予測誤差が算出される。
各レイヤを独立に編集可能にするためには、予測誤差の算出は層内(対象画像内)で閉じていることが望ましい。しかしながら、本実施形態における符号化プログラム5は、直左(参照画素A)と注目画素Xとの差分を予測誤差として算出するため、本図の注目画素Xについては、他のレイヤの画素値と注目画素Xとの差分を算出してしまう。
そこで、本実施形態における符号化プログラム5は、透明画素と非透明画素との境界領域においては、予測誤差の算出において例外処理を行う。例えば、符号化プログラム5は、透明画素と非透明画素との境界領域において、注目画素Xの画素値そのものを符号化する。より具体的には、符号化プログラム5は、直左画素(参照画素A)が透明画素であり、かつ、注目画素Xが非透明画素である場合には、注目画素Xの画素値をそのまま符号化し、直左画素(参照画素A)が非透明画素であり、かつ、注目画素Xが非透明画素である場合には、参照画素Aと注目画素Xとの画素値の差分を予測誤差として符号化する。
また、本符号化プログラム5は、透明画素を既定の画素値(デフォルト値)で埋めてもよい。これにより、符号化プログラム5は、透明画素と非透明画素との境界領域であるか否かによらず、直左画素(参照画素A)と注目画素Xとの差分値を予測誤差として符号化できる。この場合、画像処理装置2は、予測誤差に対応する符号を復号化する場合に、この符号の直前の符号が透明画素に対応する場合(参照画素Eに対応する符号である場合)に、上記デフォルト値と、予測誤差値とを合算することにより、注目画素Xの画素値を復号化し、この符号の直前の符号が非透明画素に対応する場合に、直左の画素値と、予測画素値とを合算することにより、注目画素Xの画素値を復号化する。
また、本符号化プログラム5は、予測誤差を算出する場合に、直近の非透明画素を参照して予測誤差を算出するようにしてもよい。この場合、注目画素Xと予測値とが近い値をとる可能性が高くなり、圧縮率で有利である。
次に、上記第1の実施形態の変形例を説明する。
図9は、第2の符号化プログラム52の機能構成を例示する図である。なお、本図における各構成のうち、図5に示された構成と実質的に同一のものには同一の符号が付されている。
図9に例示するように、第2の符号化プログラム52は、第1の層間予測部520を、透明画素値に基づいて予測データを生成する第2の層間予測部522に置換した構成をとる。
本変形例における第2の層間予測部522は、透明画素値として設定されている値を取得し、取得した透明画素値の値と、注目画素Xの画素値とを比較し、一致する場合に、層間予測部522に対応する予測部IDをラン計数部540に対して出力する。すなわち、層間予測部522は、予め設定されている透明画素値と、入力画像に含まれる注目画素Xの画素値とが一致する場合に、層間予測が的中したものと判定し、参照画像に対する参照を指示する参照情報(層間予測の予測部ID)を生成する。この場合にも、参照画像における参照画素の相対位置は、入力画像における注目画素Xの相対位置に対応する。
これにより、本変形例における符号化プログラム52は、参照画像を参照することなく、マスクレイヤ710の符号データを生成することができる。なお、画像処理装置2は、このように生成された符号データを復号化する場合には、符号データに応じて、参照画像を参照する。
また、複数のフレーム画像からなる動画像に対しては、他のフレーム上に参照位置を設定することもできる。この場合の動画像は、例えばマルチマスク方式のフレーム画像により構成されている。
図10(A)は、マルチマスク方式のフレーム画像を例示し、図10(B)は、図10(A)に例示したフレーム画像に対する参照位置を説明する図である。
図11は、動画像の符号化に適用される第3の符号化プログラム54の機能構成を例示する図である。なお、本図における各構成のうち、図5に示された構成と実質的に同一のものには同一の符号が付されている。
画像処理装置2は、このような現フレーム700’を符号化する場合に、現フレーム700’の他のレイヤ上と、前フレーム700のレイヤ上とに、参照位置を設定し予測符号化を行う。具体的には、画像処理装置2は、現フレーム700’のマスクレイヤ710’を符号化する場合に、図10(B)に例示するように、現フレーム700’上に複数の参照画素A〜Dを設定し、現フレーム700’のイメージレイヤ720上に参照画素E(層間予測に相当)を設定し、前フレーム700のマスクレイヤ710上に参照画素F(フレーム間予測に相当)を設定する。
また、画像処理装置2は、マスクレイヤ710に割り当てられたオブジェクトの移動方向及び移動量に応じて、参照画素Fの位置を移動させる。これにより、参照画素Fに基づく予測の的中率を向上させることができる。
符号化プログラム54において、層間第1予測部520aは、図10(B)に例示した参照画素Eの画素値を参照して、この参照画像の画素値を予測値とし、この予測値と注目画素(対象画像に含まれる画素)の画素値との比較結果をラン計数部540に対して出力する。
次に、第2の実施形態を説明する。レイヤ構造で画像データを管理する方法には、上記マルチマスク方式の他に、MRC(Mixed Raster Content)方式がある。MRC方式では、多値画像が割り当てられる2以上の画像レイヤと、これらの画像レイヤから画像領域毎に出力させる画像要素を選択する選択レイヤとで画像が構成される。
MRC方式の画像データは、画像を構成する画像要素が割り当てられる複数の画像レイヤと、出力させる画像要素を画像領域毎に選択する選択レイヤとで構成される。図12に示すように、本例の画像データ800は、画像レイヤとして前景レイヤ810及びイメージレイヤ820を有し、これらのレイヤから出力すべき画像要素を選択する選択レイヤ830をさらに有する。
本例の前景レイヤ810は、簡単なCG画像又は文字画像などの低階調画像が割り当てられている。なお、前景レイヤ810は、CG画像又は文字画像に含まれる複数の色情報及び中間調情報を有する。
本例のイメージレイヤ820は、前景レイヤ810よりも階調数が多い連続階調画像などが割り当てられる。
選択レイヤ830は、画像領域毎に(例えば画素毎に)前景レイヤ810及びイメージレイヤ820のいずれの画像要素を出力させるかを示す2値データで構成され、この2値データによりパターン像を構成している。本図における選択レイヤ830の黒色の部分は、前景レイヤ810の画像要素を選択するパターン像であり、白色の部分は、イメージレイヤ820の画像要素を選択するパターン像である。
表示画像850は、前景レイヤ810及びイメージレイヤ820に含まれる画像要素から、選択レイヤ830に含まれる2値パターンに応じて選択された画像要素を表示又は印刷等されたものである。
ここで、本実施形態のように複数の参照画像を参照して符号化される場合には、生成される各レイヤの符号データは、ツリー的な関係となり、復号化する場合には、前景レイヤ810の符号データとイメージレイヤ820の符号データとの復号化順序は任意である。また、選択レイヤ830は、前景レイヤ810に割り当てられた画像要素、及び、イメージレイヤ820に割り当てられた画像要素のトリミング形状を保持する。そのため、選択レイヤ810及びイメージレイヤ820は、形状を持つ必要がなく、例えば、圧縮率が高くなるような模様又は色などで、割り当てられた画像要素の周囲を塗りつぶしてもよい。
次に、第2の実施形態の第1の変形例を説明する。
図13は、第4の符号化プログラム56の機能構成を例示する図である。なお、本図における各構成のうち、図5に示された構成と実質的に同一のものには同一の符号が付されている。
図13に例示するように、第4の符号化プログラム56は、第1の層間予測部520を、選択レイヤ830(図12)の画像データに基づいて予測データを生成する第3の層間予測部524に置換した構成をとる。
本変形例における第3の層間予測部524は、選択レイヤ830の画像データ(ビットパターン)を取得し、取得した画像データに基づいて、いずれかの参照画像(図12における前景レイヤ810又はイメージレイヤ820)に対応する予測部IDをラン計数部540に対して出力する。例えば、図12に例示する画像データ800が入力された場合に、層間予測部524は、選択レイヤ830の黒色の領域(前景レイヤ810の選択を指示する2値パターンの領域)では、前景レイヤ810における参照画素の画素値が注目画素の画素値と一致したと判定し、前景レイヤ810の参照を指示する符号を符号生成部560に生成させ、選択レイヤ830の白色の領域(イメージレイヤ820の選択を指示する2値パターンの領域)では、イメージレイヤ820における参照画素の画素値が注目画素の画素値と一致したと判定し、イメージレイヤ820の参照を指示する符号を符号生成部560に生成させる。
これにより、本変形例における符号化プログラム56は、参照画像を参照することなく、選択レイヤ830の符号データを生成することができる。なお、画像処理装置2は、このように生成された符号データを復号化する場合には、符号データに応じて、参照画像(前景レイヤ810及びイメージレイヤ820)を参照する。
また、上記のように、レイヤ毎に分割された画像データは、それぞれのレイヤに割り当てられた画像要素の性質に応じて、解像度変換がなされる場合がある。例えば、写真画像などは、文字画像又はCG画像などに比べて、エッジ量が少なく、解像度を低下させても画質劣化として目立ちにくい傾向にある。そこで、例えば、画像処理装置2は、図12に例示したMRC方式の画像データのうち、イメージレイヤ820の画像データの解像度を低下させて、符号量を低下させることができる。
図14(A)に例示するように、画像処理装置2は、MRC方式の画像データのうち、イメージレイヤの画像データを、他のレイヤ(前景レイヤ及び選択レイヤ)よりも低い解像度に変換することができる。本例のイメージレイヤは、他のレイヤに対して1/2の解像度に変換される。これにより、イメージレイヤの画像データは、主走査方向及び副走査方向にそれぞれ半分の画素数となる。
復号化プログラム6において、符号復号部610は、図6(B)に例示したものと同様に、符号と予測部ID(参照位置)とを互いに対応付けるテーブルを有し、入力された符号データに基づいて、参照位置を特定する。また、符号復号部610は、入力された符号データに基づいて、予測部IDの連続数、及び、予測誤差などの数値も復号化する。
このように復号化された参照位置、連続数及び予測誤差は、層内抽出部620、誤差処理部630及び座標変換部640に入力される。
なお、最近傍法が適用される場合(すなわち、補間処理部650が設けられない形態である場合)、座標変換部640は、注目画素Xの座標を1/2倍した場合の整数部分をイメージレイヤ820における参照位置とする。また、参照すべきレイヤの解像度と選択レイヤ830の解像度とが同一である場合には、座標変換がなされない。
なお、補間処理部650が設けられない形態では、上記座標変換部640が座標変換を行うことにより、最近傍法による補間と同一の効果が得られる。
図15は、レイヤ2の画像データを繰り返し出力する方法を説明する図であり、図15(A)は、繰り返し出力に用いられるレイヤ画像(レイヤ1及びレイヤ2)を例示し、図15(B)は、図15(A)に例示されたレイヤ2が繰り返し出力された復号画像を例示する。
図15(A)に例示するように、レイヤ1は、文字画像「シャボン玉」が割り当てられた前景レイヤ810であり、レイヤ2は、CG画像が割り当てられたイメージレイヤ820である。レイヤ2は、レイヤ1よりも解像度が低く、主走査方向の画素数がWであり、副走査方向の画素数がHである。
図14(B)に例示した座標変換部640は、選択レイヤ830(不図示)における注目画素の座標(x,y)をそれぞれ(W,H)で割った剰余を、参照位置とする。これにより、復号化プログラム6(図14(B))は、レイヤ2(図15(A))に割り当てられた画像要素を繰り返し参照することになり、図15(B)に例示するような復号画像を出力できる。
図16は、第5の符号化プログラム58の機能構成を例示する図である。なお、本図における各構成のうち、図5に示された構成と実質的に同一のものには同一の符号が付されている。
図16に例示するように、第5の符号化プログラム58は、層内予測部510及び層間予測部520の前段に、量子化部570が追加された構成をとる。
本変形例における量子化部570は、予測値提供部572及び画素値変更処理部574を含み、入力された画像データに基づいて量子化画像を生成し、層内予測部510、層間予測部520及び予測誤差算出部530に対して出力する。
具体的には、予測値提供部572が、参照画素(例えば、同一画像上の直左画素又は直上画素、あるいは、参照画像上の画素など)の画素値を画素値変更処理部574に対して出力し、画素値変更処理部574が、入力された参照画素の画素値と、注目画素の画素値とを比較して、その差分が既定の範囲内である場合に、この注目画素の画素値を参照画素の画素値で置換し、その差分が既定の範囲外である場合に、この注目画素の画素値をそのまま出力する。すなわち、量子化部570は、いずれかの参照画素A〜Eの画素値で、画素値が近似する注目画素Xを塗潰す。
これにより、本変形例における符号化プログラム58は、層内予測部510又は層間予測部520による予測の的中率を向上させ、圧縮率を向上させることができる。
5,52,54,56,58・・・符号化プログラム
510・・・層内予測部(層内第1予測部〜層内第4予測部)
520,522,524・・・層間予測部
530・・・予測誤差算出部
540・・・ラン計数部
550・・・選択部
560・・・符号生成部
6・・・復号化プログラム
610・・・符号復号部
620・・・層内抽出部
630・・・誤差処理部
640・・・座標変換部
650・・・補間処理部
660・・・層間抽出部
Claims (1)
- 入力画像を構成するレイヤ画像である対象画像を符号化する符号化装置であって、
1つのレイヤ画像に含まれる注目画素の画素値を符号化する場合に、この注目画素に対応する他のレイヤ画像に含まれる画素の画素値に基づいて、第1の予測値を算出する第1の予測手段と、
この注目画素と同一のレイヤ画像に含まれる他の画素の画素値に基づいて、第2の予測値を算出する第2の予測手段と、
前記第1の予測値及び前記第2の予測値に基づいて、他のレイヤ画像に含まれる画素の位置を示す参照情報又は同一のレイヤ画像に含まれる他の画素の位置を示す参照情報を選択する選択手段と
を含む参照情報生成手段と、
注目画素の符号データとして、前記選択手段により選択された参照情報の符号データを生成する符号生成手段と
を有し、
前記入力画像を構成するレイヤ画像は、注目画素の画素値及び前記選択手段によって選択された参照情報によって位置が示される画素のうち他のレイヤ画像に含まれる画素の画素値が一致する領域である透明領域と、透明領域以外の領域である非透明領域とを含み、
前記符号生成手段は、前記透明領域及び前記非透明領域の境界において、注目画素及び同一のレイヤ画像に含まれる他の画素が前記透明領域及び前記非透明領域のいずれにあるかどうかに応じて、注目画素の画素値を注目画素の符号データとする
符号化装置。
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